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Open Access
Festigkeitskennwerte in Laminatdickenrichtung zur Versagensanalyse dicker und/oder dreidimensional belasteter FKV-Laminate
(2018) Hoffmann, Marco; Middendorf, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Um den Einsatz geeigneter Lasteinleitungskonzepte für FKV-Laminate, wie zum Beispiel CFK-Augenverbindungen, im Flugzeugbau zu etablieren, werden zuverlässige Auslegungsmethoden benötigt. Diese Methoden müssen sowohl den vorliegenden 3D-Spannungszustand als auch die Kombination der auftretenden intra- und interlaminaren Versagensarten berücksichtigen. Außerdem werden als Eingangsdaten zur Vorhersage von Delaminationen gültige interlaminare Festigkeiten unter Zug- und Schubbelastung benötigt, deren Übertragbarkeit auf die Bauteilebene nachgewiesen wurde. Die vorliegende Dissertation leistet durch kombinierte experimentelle und numerische Studien einen Beitrag zu Gestaltungsrichtlinien für dicke und/oder dreidimensional belastete FKV-Laminate. Dem Konzept einer Versuchspyramide folgend, werden dabei zunächst neue Coupon-Proben zur genauen interlaminaren Festigkeitsbestimmung entwickelt. Ein möglicher Größeneffekt auf diese Festigkeiten wird auf der Element-Ebene analysiert. Abschließend werden die Festigkeiten in Kombination mit einer geeigneten numerischen Modellierungsmethode erfolgreich zur Versagensvorhersage von Subkomponenten eingesetzt.
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Makroskopische Charakterisierung und Modellierung des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens kurzfaserverstärkter Kunststoffe
(2023) Urban, Fabian; Middendorf, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Kunststoffe gewinnen in technischen Anwendungen immer mehr an Bedeutung. Durch das Beimischen kurzer Glasfasern, wird eine Nutzung auch in thermisch und mechanisch hochbelasteten Strukturbauteilen ermöglicht. Aufgrund der geringeren Steifigkeit und um ein Vielfaches höheren Werkstoffdämpfung im Vergleich zu den klassischen, metallischen Werkstoffen, ist ein Einsatz in schwingungs- oder akustisch-relevanten Komponenten von besonderem Interesse. Um eine zuverlässige Prognose des strukturdynamischen Verhaltens zu ermöglichen, sind genaue viskoelastische Werkstoffdaten sowie ein geeignetes Materialmodell notwendig. Bisherige Methoden legten einen besonderen Fokus auf eine präzise Beschreibung des Werkstoffverhaltens auf mikroskopischer Ebene. Hierbei wurde jedoch häufig das Versuchsverfahren zur Charakterisierung der Werkstoffdaten aus dem Stand der Technik als gegeben angenommen. Es ist jedoch nicht gut für die Ermittlung absoluter Werkstoffkennwerte geeignet. Dies gilt insbesondere für die im Vergleich zu klassischen Polymeren hohe Steifigkeit und geringere Dämpfung der faserverstärkten Kunststoffe unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren Anregungsfrequenz, Temperatur sowie Konditionierungszustand. Durch ein präziseres und aufwändigeres Versuchsverfahren und die direkte Charakterisierung der viskoelastischen Werkstoffdaten an faserverstärkten Proben unterschiedlicher Orientierung, kann die Modellierung in der Berechnung deutlich vereinfacht und verallgemeinert werden. Ein präzises Verständnis der Faser-Matrix Interaktion ist dann nicht mehr notwendig, da dies im Verbundverhalten enthalten ist. In der vorliegenden Arbeit wird eine makroskopische Methodik zur Charakterisierung und Modellierung des linear-viskoelastischen Werkstoffverhaltens kurzfaserverstärkter Kunststoffe entwickelt. Hierfür werden jeweils ein Stellvertreter der thermoplastischen Polyamide sowie der duroplastischen Phenolharze untersucht.
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Methoden der Bewertung des Leichtbaupotenzials sowie der Fertigbarkeit von Bauteilgeometrien für die Umsetzung in Faserverbundbauweisen
(2022) Zink, Dennis; Middendorf, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
In der Konzeptphase der Bauteilentwicklung ist eine frühe und effiziente Abschätzung des Leichtbaupotenzials einer Werkstoffklasse zielführend, insbesondere für einzelne Bauteile einer komplexen Baugruppe. Die Anwendung bekannter numerischer Methoden ist hierfür mit hohem Aufwand verbunden. Sowohl die Bewertung des Leichtbaupotenzials eines Bauteils für die Umsetzung in Faserverbundbauweisen als auch die Bewertung der Fertigbarkeit sind von Bedeutung. Das Leichtbaupotenzial anisotroper Faserverbundwerkstoffe ist von der Beanspruchung des Bauteils abhängig, die Fertigbarkeit von der Bauteilgeometrie. Für die Quantifizierung dieser zwei Zusammenhänge werden in der vorliegenden Arbeit zwei Bewertungsmethoden vorgestellt. Basierend auf den Hauptnormalspannungsvektoren wird eine Methode entwickelt, die Lastpfade detektiert und demnach das Umsetzungspotenzial unterschiedlicher Faserverbundbauweisen bewertet. Die Quantifizierung der Fertigbarkeit aufgrund von Bauteilgeometrien erfordert eine Korrelationsfunktion zwischen den Auswirkungen der Geometrie und dem Fertigungsergebnis. Grundlegend gilt, dass für ähnliche Bauteilgeometrien bei gleichbleibendem Herstellungsprozess und Material ähnliche Fertigungsergebnisse zu erwarten sind. Die Ähnlichkeit wird durch Methoden der Künstlichen Intelligenz als Skalar und auch lokalisiert auf der Bauteilgeometrie angegeben. Die bewertete geometrische Ähnlichkeit der Bauteile soll mit der Ähnlichkeit der Fertigungsergebnisse korrelieren. In Konsequenz werden die vorgestellten Methoden der Ähnlichkeitsbewertung durch Simulationsergebnisse eines Herstellungsprozesses von Faserkunststoffverbunden kalibriert.
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Prozesskette zur robotergestützten Herstellung vernähter faserverstärkter Preforms
(2014) Herkt, Manuel; Middendorf, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Faserverbundwerkstoffe insbesondere auf Basis von Kohlenstoffffasern sind seit langem ein wichtiger Werkstoff im Flugzeugbau, da sie im Vergleich zu metallischen Werkstoffen eine signifikante Gewichtsersparnis für Bauteile bedeuten. Ein großer Nachteil dieser Technologie sind allerdings die hohen Herstellkosten, da der Prozess bei dem häufig mit Harz vorgetränkte Faserhalbzeuge zum Einsatz kommen noch weitestgehend manuell abläuft. Eine Alternative zu den vorgetränkten Fasern bietet die Preformtechnologie in Kombination mit Harzinjektionstechniken. Um textile Vorformlinge für Faserverbundbauteile herzustellen kommt häufig die Nähtechnik zum Einsatz. Textile Techniken und insbesondere Näh- gekoppelt mit Harzinjektionstechniken können wesentliche Beiträge zur Kostenreduktion liefern. In dieser Arbeit wird eine Prozesskette entwickelt, mit der es möglich ist, textile Preforms automatisiert mit einem Roboter zu konfektionieren. Die entwickelte Prozesskette wird in Form einer sog. erweiterten ereignisgesteuerten Prozesskette dargestellt. Es werden zunächst die Grundlagen für einen intelligenten Nähprozess mit einem Industrieroboter erörtert und in Grundlagenuntersuchungen validiert. Taktile Sensorik kommt ebenso wie berührungslose Sensorik zu Einsatz. Hierfür wurden insbesondere Untersuchungen zur Reflexion von Carbonfasern durchgeführt, um den Wellenlängenbereich zu ermitteln, in dem die Fasern am meisten Licht reflektieren. Auf dieser Basis wird eine Demonstratoranlage abgeleitet und an einem konkreten Bauteil aus der zivilen Luftfahrt, dem A350- Fensterrahmen, validiert und Parameter für eine industrielle Herstellung ermittelt. Diese Parameterermittlung dient als Grundlage für eine exemplarische Wirtschaftlichkeitsanalyse und mögliche Fabrikplanung für eine Serienherstellung des Fensterrahmens für die A350. Die Ergebnisse dieser Wirtschaftlichkeitsanalyse der robotergestützten Vernähung werden mit den Kosten der manuellen Herstellung des Fensterrahmens verglichen.
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Qualitätsbewertung von Faser-Kunststoff-Verbunden mittels optischer Texturanalyse auf 3D-Preformoberflächen
(2019) Heieck, Frieder; Middendorf, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines messtechnischen Verfahrens, um prozessbedingte Variationen der Faserarchitektur textiler Preforms im Entwicklungsprozess von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden berücksichtigen zu können. Anhand mechanischer Prüfreihen von geflecht- und gelegeverstärkten Verbundwerkstoffen können klare Wirkzusammenhänge zwischen visuellen Textilmerkmalen und den mechanischen Eigenschaften identifiziert werden. Schwerpunkt der Untersuchungsreihen sind Auswirkungen von Lücken, Ondulationen und Streuungen des Faserwinkels auf die Zug- und Druckeigenschaften kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe. Die Erkenntnisse fließen in die Entwicklung eines optischen Messsystems zur 3D-Preformanalyse ein, welches mittels grauwertbasierter Bildverarbeitung die vollflächige Texturanalyse komplexer, dreidimensionaler Oberflächen ermöglicht. In der Arbeit werden zuletzt Anwendungspotenziale der detaillierten Faserarchitekturanalyse zur Optimierung von Fertigungsprozessen und zur Bauteildimensionierung vorgestellt.
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Virtuelle Optimierung von Geflecht-Preforms unter Berücksichtigung von Fertigungsaspekten
(2013) Birkefeld, Karin; Middendorf, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Strukturen aus faserverstärktem Kunststoff mit textiler Geflechtpreform werden seit einigen Jahren vermehrt in der Automobil-, Luftfahrt- und Sportgerätein-dustrie eingesetzt. Der Flechtprozess eignet sich für eine automatisierte Herstellung und ermöglicht einen wirtschaftlichen und schnellen Preforming-prozess für Profilstrukturen. Vor diesem Hintergrund mangelt es an einem effizienten Auslegungsprozess, der die spezifischen Eigenheiten des textilen Fertigungsverfahrens berücksichtigt. Werkstoff und Struktur entstehen beim Flechten simultan. Zudem besteht eine Wechselwirkung zwischen Bauteilgeometrie und Laminateigenschaften, weshalb es wichtig ist, die Prozessparameter in den Auslegungsprozess zu integrieren. Der bestehende Mangel wird in dieser Arbeit behoben, indem eine prozesswis-sensbasierte Auslegungstoolkette für Geflechtstrukturen aus Biaxial- und Triaxialgeflechten realisiert wird. Wesentliche Bestandteile dieser Toolkette sind die prädiktive, numerische Ermittlung der Geflechtlaminat-Steifigkeiten und die Einbringung von Fertigungsaspekten in den Auslegungsprozess. In dieser Arbeit werden zudem Schnittstellen zwischen den Tools entwickelt, die einen automatischen Ablauf ermöglichen.